计算机仿真在大学物理教学中的效果研究

张春光 皮艳梅 牟艳男

【摘要】    光电信息科学与工程专业的《大学物理实验》课程，注重培养学生实践能力和综合知识运用能力。在传统实验教学模式基础上引入虚拟仿真实验克服了传统实验教学仪器套数不足，实验效率偏低等问题。本文以傅里叶光学实验为例，说明仿真实验在教学中取得的成果。通过对虚拟仿真实验分析其优势和特点，结合虚拟仿真实验《傅里叶光学实验》具体应用情况进行成绩对比分析，研究虚拟仿真实验教学方法在大学物理实验教学中的优点和效果。

【关键词】    仿真实验    傅里叶光学    大学物理

一、基于组件的虚拟物理仿真实验软件

以学生为主体的教学是培养学生创新能力的基本保证。面向大面积学生开设开放性、设计性实验是创建激发大面积学生自主学习兴趣、培养学生自主创新能力的教学环境的有效途径。开展这项工作需要大量的设备和优质的师资力量，这已成为当前实验教学改革和发展的瓶颈。

学生联网后只要在线运行即可使用基于组件的虚拟物理仿真实验，不受空间和时间的限制，系统给学生提供一个自主学习的网上环境。

系统功能如下：可实验方案定制化，选择必要的项目。实验中可灵活组合仪器，教师可根据大纲和学生水平，制定不同层次的实验方案以实现教学目标。可以让学生根据实验项目优化选择不同的实验仪器条件，然后完成相同的实验内容。可以体现相同实验项目，但引入随机化条件实现不同实验结果，使仿真实验具有操作导致的实验误差，有较高实验真实度。提供统一的数据接口，可以作为物理实验考试系统和物理实验预习系统的操作内容;应用组件技术开发，实验操作体验真实。包括实验大厅功能，用户可通过实验大厅在网上运行仿真实验。具有统计分析功能，能够分析学生使用仿真实验的时间、次数等。根据用户实际需要，提供本实验中心实验仪器面板定制服务。不限制用户登录节点数，最大可以允许超过 6000 人同时登录。

（一）系统特色

仿真实验具有研究性和设计性，能够为学生提供自主学习的平台和良好的教学环境，克服了使面向学生人数过多开设研究性和设计性实验中受到实验室与实验课时的限制等教学资源不足的困难。提供了学生在网络上自主学习的良好实验平台。

仿真模拟软件能够深入剖析教学整个过程，在实验设计上能够充分体现教学思想的指导，大部分学生应该在深入思考然后理解的基础上才能正确实验操作，克服了实际实验中出现的走过场和盲目操作损坏仪器现象，提高了很多物理实验教学的水平和质量。

应用网络技术，采用B/S和C/S混合模式，使操作更加统一和简洁，更具人性化。

在已有的基础上增加了实验数量，是实验总数达到将近70个。

二、大学物理仿真实验和它在教学中的应用模式

1.利用虚拟仿真实验在网上开设开放实验，以营造多元化的实验教学环境

开设实验作业，开设选修实验课程，以各种形式使学生的进步需求和求知欲望得到满足，拓展学生的视野，使学生的实验学习兴趣得到提高。

2.2实现两段式的教学然后与真实实验良好结合

實验用到的大型贵重仪器和调节的难度比较大的仪器，比如STM隧道显微镜、学生型分光计等，应该让学生先预做仿真实验，熟悉实验过程以及注意事项和相关仪器操作，然后再利用真实仪器进一步操作。这样可缩短进行真实实验的时间，提高进行真实实验时的教学效果，使设备安全性以及利用率得到提高。

2.3虚拟仿真实验后使学生了解真实仪器构造提高实验教学效果

大部分实验仪器都是封装结构，仪器的内部构造学生看不到，导致学生对仪器原理和实验原理不能理解，但是虚拟仿真实验可以使学生了解实验仪器的内部构造，直观演示仪器内部的一些运行机制。对很多实验现象有必要的解释，通过虚拟与真实并用可有力提高教学效果。

三、傅里叶光学实验简介

傅里叶光学原理的发明最早可以追溯到1893年阿贝（Abbe）为了提高显微镜的分辨本领所做的努力。他提出一种新的相干成像的原理，以波动光学衍射和干涉的原理来解释显微镜的成像的过程，解决了提高成像质量的理论问题。电子信息论的结果被大量应用于光学系统分析中。两者一个为时间信号，一个是空间信号，但都具有线性和不变性，所以数学上都可以用傅立叶变换的方法。将光学衍射现象和傅立叶变换频谱分析对应起来，进而应用于光学成像系统的分析中，不仅是以新的概念来理解熟知的物理光学现象，而且使近代光学技术得到了许多重大的发展，例如泽尼克相衬显微镜，光学匹配滤波器等等，因此形成了现代光学中一门技术性很强的分支学科—傅里叶光学。

（一）实验仪器

傅里叶光学实验装置包括：激光器、扩束镜、准直镜、傅里叶透镜、物屏、光屏和滤波器。

（二）实验内容

熟悉各个仪器的工作原理和使用方法;调节平行光，测傅里叶透镜的焦距f;利用夫琅和费衍射测一维光栅常数;

1.光路：激光器→扩束镜→准直镜→光栅→傅里叶透镜→屏（此光路满足远场近似）;

2.光栅方程：dsinθ=kλ，其中，k=0，±1，±2，±3…请自己选择待测量的量和求光栅常数的方法。记录一维光栅的衍射图样、可看到哪些级？记录 0级、±1级、±2级光斑的位置。

观察并记录下述傅立叶频谱面上不同滤波条件的图样或特征。

1.光路：

激光器→扩束镜→准直镜→光栅→傅里叶透镜→滤波范本（位于空间频谱面上）→傅里叶透镜→光屏;

2.一维光栅

（1）滤波范本只让0级通过;

（2）滤波范本只让0、±1级通过;

（3）滤波范本只让0、±2级通过。

3.二维光栅

（1）滤波范本只让含0级的水平方向一排点阵通过;

（2）滤波范本只让含0级的竖直方向一排点阵通过;

（3）滤波范本只让含0级的与水平方向成45度一排点阵通过;

4.“光”字屏滤波，物面上是规则的光栅和一个汉字组成叠加，观察实验结果。

（1）在像面上仅看到一个汉字“光”;

（2）如何操作可看到像面上是“光”字中仅有横条纹，或“光”字中仅有竖条纹。

（三）实验重点及难点

根据光学实验原理，利用所给仪器在导轨上摆放出正确的光路;能够根据透镜成像原理，测量傅里叶透镜的焦距;利用夫琅和费衍射测一维光栅常数;观察并记录下述傅立叶频谱面上不同滤波条件的图样或特征。

（四）教学效果

以黑河学院18电子1、2班为例。在2019-2020第2学期，由于新冠疫情，我们组织了网络计算机仿真实验。傅里叶光学是其中一个重要实验。在2学时的时间内有85人完成了该实验，成绩良好。

从傅里叶仿真实验成绩来看：平均分为92.7。100分的有34人，90-99分的有27人。优秀率达到了72.6%。这个成绩是要比实物实验高很多的。但是，由于学生只是在屏幕上通过鼠标操作完成实验，对实验的认识不够充分。相应实验的操作难度也大大降低。这一方面会使学生能在有限的时间内完成一个较难的实验。也会对学生真实的操作水平产生不利影响。所以，学校不能把所有实验都一刀切的开设为仿真实验。应该做到虚实结合，把仿真实验作为真实实验的一个有力的补充。

四、结束语

虚拟仿真实验是为本科教学而实现及设计的。依托多媒体技术实现虚拟仿真实验教学、数据库、人机交互、结合网络通信等技术，构建成功比较仿真的实验仪器对象和营造虚拟实验教学环境。学生利用电脑和网络在虚拟环境中进行实验，以达到教学大纲规定的教学效果。结合特色专业和开设课程，使学校学科的专业优势得到发挥，积极利用软件开发能力和网络服务能力，优化整合学校虚拟仿真实验教学资源，用培养学生创新能力以及综合设计能力为出发点，应用高水平软件创造性地共享与建设虚拟仿真实验、远程控制虚拟实验、仪器共享虚拟实验等教学资源。达到拓展实践领域，优化教学能力，提高教学水平，降低风险和成本的目的。开展多种虚拟实验教学。建设虚拟仿真实验教学中心的任务是实现真实实验难以完成或者不具备的一些教学功能。建设虚拟仿真实验教学中心应充分体现相互补充、虚实结合、能实不虚的建设原则。

作者单位：张春光    皮艳梅    牟艳男    黑河学院

参  考  文  献

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